第八章 Python计算生态

8.1 计算思维

计算思维是人类科学思维活动的重要组成部分。人类在认识世界、改造世界的过程中表现出三种基本的思维特征：以实验和验证为特征的实证思维，以物理学科为代表；以推理和演绎为特征的逻辑思维，以数学学科为代表；以设计和构造为特征的计算思维，以计算机学科为代表。

计算思维的本质是抽象（Abstraction）和自动化（Automation）。

8.2 程序设计方法论

一个解决复杂问题行之有效的方法被称作自顶而下的设计方法，其基本思想是从一个总问题开始，试图把他分解为很多小问题组成的解决方案。再用同样的方法依次攻破每个小问题，最终问题变得非常小，以至于可以很容易解决。然后只需要把所有的碎片组合起来，就可以得到一个程序。

8.2.1 自顶向下设计

自顶向下设计中最重要的是顶层设计。

自顶向下的设计过程可以概括为四个步骤：

步骤1：将算法表达为一系列小问题。

步骤2：为每个小问题设计接口。

步骤3：通过将算法表达为接口关联的多个小问题来细化算法。

步骤4：为每个小问题重复上述过程。

8.2.2 自底向上执行

程序编写后，需要经过测试过程。对于较小规模的程序，直接运行即可。但对于稍大规模的程序，需要特殊方法应对测试问题。就像自顶向下设计，每次只设计程序的一部分比一下子解决整个问题更容易，开展测试的更好办法也是将程序分为小部分逐个测试。

执行中等规模程序的最好方法是从结构图最底层开始，而不是从顶部开始，然后逐步上升。或者说，先运行和测试每一个基础函数，再测试由基础函数组成的整体函数，这样有助于定位错误。

通过继续进行这样的单元测试可以检测程序中的每个函数。独立检验每个函数更容易发现错误。通过模块化设计可以分解问题使编写复杂程序成为可能，通过单元测试方法分解问题试运行和调试复杂程序成为可能。

自顶向下和自底向上贯穿程序设计和执行的整个过程。

8.3 计算生态

近20年的开源运动产生了深植于各信息技术领域的大量可重用资源，直接且有力的支撑了信息技术超越其他技术领域的发展速度，形成了“计算生态”。

Python语言从诞生之初致力于开源开放，建立了全球最大的编程计算生态。

Python官方网站提供了第三方库索引功能（PyPI，the Python Package Index）,网址如下：https://pypi.org/

该页面列出来Python语言超过12万个第三方库的基本信息，这些函数库覆盖信息领域技术所有技术方向。

由于Python有非常简单灵活的编程方式，很多采用C、C++等语言编写的专业库可以经过简单的接口封装供Python语言程序调用。这样的粘性功能使得Python语言成为了各类编程语言之间的接口，Python语言也被称为“胶水语言”。

8.3.1 Python标准库

有一部分Python计算生态随Python安装包一起发布，用户可以随时使用，被称为Python标准库。受限于Python安装包的设定大小，标准库数量270个左右。

8.3.2 Python第三方库

更广泛的Python计算生态采用额外安装方式服务用户，被称为Python第三方库。这些第三方库由全球各行业专家、工程师和爱好者开发，没有顶层设计，有开发者采用“尽力而为”的方式维护。Python通过新一代安装工具pip管理大部分Python第三方库的安装。

8.4 基本的Python内置函数

Python解释器提供了68个内置函数，这些函数不需要被引用库而直接使用。这里介绍其中的32个，如表所示。

函数名称	函数说明
abs(x)	x的绝对值。如果x是复数，返回复数的模
all(x)	组合类型变量x中所有元素都为真时返回True，否则返回False；若x为空，返回True
any(x)	组合类型变量x中任一元素都为真时返回True，否则返回False；若x为空，返回True
bin(x)	将整数x转换为等值的二进制字符串
bool(x)	将x转换为Boolean类型，即True或False
chr(i)	返回Unicode为i的字符
complex(r,i)	创建一个负数r + i * 1j，其中i可以省略
dict()	创建字典类型
divmod(a,b)	返回a和b的商和余数
eval(s)	计算字符串s作为Python表达式的值
exec(s)	计算字符串s作为Python语句的值
float(x)	将x转换成浮点数
hex(x)	将整数转换为十六进制字符串
input(s)	获取用户输入，其中s是字符串，作为提示信息。s可选
int(x)	将x转换成整数
len(x)	计算变量x的长度
list(x)	创建或将变量x转换成列表类型
max(a1,a2,……)	返回参数的最大值
min(a1,a2,……)	返回参数的最小值
oct(x)	将整数x转换成等值的八进制字符串形式
open(fname,m)	打开文件，包括文本方式和二进制方式等
ord©	返回一个字符的Unicode编码值
pow(x,y)	返回x的y次幂
print(x)	打印变量或字符串x
range(a,b,s)	从a到b（不含）以s为步长产生一个序列
reversed®	返回组合类型r的逆序迭代形式
round(n)	四舍五入方式计算n
set(x)	将组合数据类型x转换成集合类型
sorted(x)	对组合数据类型x进行排序，默认从大到小
str(x)	将x转换为等值的字符串类型
sum(x)	对组合数据类型x计算求和结果
type(x)	返回变量x的数据类型

8.5 实例解析——Web页面元素提取

Web页面，一般是HTML页面，是Internet组织信息的基础元素。Web页面元素提取是一类常见问题，在网络爬虫、浏览器等程序中有着不可或缺的重要作用。

HTML指超文本标记语言，严格来说，HTML不是一种编程语言，而是一种新型的标记语言，对Web的内容、格式信息描述。

import re
import requestsnum = 0  # 给图片名字加数字
header = {'User-Agent': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; Win64; x64)','Accept': 'image/avif,image/webp,image/apng,image/svg+xml,image/*,*/*;q=0.8','Accept-Encoding': 'gzip, deflate, br','Accept-Language': 'zh-CN,zh;q=0.9'
}
# 图片页面的url
url = 'https://image.baidu.com/search/index?tn=baiduimage&ipn=r&ct=201326592&cl=2&lm=-1&st=-1&fm=result&fr=&sf=1&fmq=1685684057373_R&pv=&ic=0&nc=1&z=0&hd=0&latest=0&copyright=0&se=1&showtab=0&fb=0&width=&height=&face=0&istype=2&dyTabStr=&ie=utf-8&sid=&word=%E9%BB%91%E5%AE%A2'
html = requests.get(url, headers=header)  # 通过requests库请求到了页面
html.encoding = 'utf8'  # 防止乱码
html = html.text
res = re.findall('"objURL":"(.*?)"', html)  # 正则表达式，筛选出html页面中符合条件的图片源代码地址url
for i in res:num = num + 1  # 重命名，防止重复picture = requests.get(i)  # 得到每一张图片的大图file_name = 'C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\图片\\' + str(num) + ".jpg"  # 重命名file = open(file_name, "wb")  # 以二进制写入的方式打开图片file.write(picture.content)  # 下载图片至本文件夹print(i)  # 查看图片连接file.close()  # 结束文件操作

习题8

一、选择题

1. 以下代码的运行结果为：______

   counter = 1def doLotsOfStuff():global counterfor i in (1, 2, 3):counter += 1doLotsOfStuff()
   print(counter)
   

   A 4 B 5 C 1 D 代码错误

   正确答案：A

2. 在程序设计范畴，计算思维不包含以下哪一项？

   A 理解问题的计算特性

   B 将计算特性抽象为计算问题

   C 通过程序设计语言实现问题的自动求解

   D 以推理和演绎为特征的逻辑思维

   正确答案：D

3. 以下选项中分别表示程序设计和执行方式的是：______

   A 通过总结与归纳，推测事件的发展走向

   B 通过分析与推理，找到语言逻辑中的漏洞

   C 通过程序解决一个计算复杂的问题

   D 通过逻辑推理，分析悬疑小说中的谜底

   正确答案：C

4. 以下选项中分别表示程序设计和执行方式的是：______

   A 自顶向下；自底向上

   B 自底向上；自顶向下

   C 自顶向下；自顶向下

   D 自底向上；自底向上

   正确答案：A

5. 一下不是自顶向下设计方式步骤的是：______
   A 将算法表达为一系列小问题

   B 通过单元测试方法分解问题来运行和调试程序

   C 通过将算法表达为借口关联的多个小问题来细化算法

   D 为每个小问题设计程序接口

   正确答案：B

6. 关于测试一个中等规模程序的说法，以下错误的是：______

   A 从结构图最底层开始，逐步上升

   B 先运行和测试每一个基础函数，在测试由基础函数组成的整体函数

   C 直接运行程序

   D 采用自底向上的执行方式

   正确答案：C

7. 以下选项中最能体现计算机中算法含义的是：______
   A 数学的计算公式

   B 程序设计语言的语句序列

   C 对问题的精确描述

   D 解决问题的精确步骤

   正确答案：D

8. 以下不属于Python标准库的是：______

   A time B random C networkx D optparse

   正确答案：C

9. 以下选项中是Python第三方库的是：______

   A turtle B Pyinstaller C random D math

   正确答案：B

10. 以下选项中不是Python内置函数的是：______

    A hex() B all() C char() D sorted()

    正确答案：C